WO2007022797A1 - Brennkraftmaschine mit einem system zur sekundärlufteinblasung und verfahren zum betreiben der brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem system zur sekundärlufteinblasung und verfahren zum betreiben der brennkraftmaschine Download PDF

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Karl-Ernst Hummel
Ralf Herrmann
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Mann+Hummel Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a system for secondary air injection according to the preamble of patent claim 1, and a method for operating an internal combustion engine with a system for secondary air injection according to claim 7.
  • DE 42 19 267 A1 discloses a system for secondary air injection into an internal combustion engine.
  • the system for secondary air injection is arranged in an intake pipe of the internal combustion engine. By blowing fresh air into the exhaust, the emitted pollutants can be reduced.
  • a throttle for adjusting the flowing volume flow to the internal combustion engine is present in the intake passage. Through the throttle, a differential pressure is generated, which is used to drive a turbomachine.
  • the turbomachine is provided as an engine for a compressor, which fresh air (secondary air) blows into the exhaust pipe.
  • the blowing of the secondary air into the exhaust gas is important after the start of the internal combustion engine in order not to exceed the legally prescribed exhaust gas values. After starting the engine, a few crankshaft revolutions are required until sufficient differential pressure is generated to drive the turbomachine. The speed of the turbomachine increases gradually until the maximum working speed is reached. In this period, too little fresh air is blown into the exhaust gas, whereby the exhaust gas values do not meet the legal requirements.
  • DE 100 64 481 discloses an internal combustion engine with Sekundäriuftauflaa-
  • the function of the secondary air charger can be checked with a test procedure.
  • a control valve is provided, which is arranged in the bypass to a Frischluftleltung and after the actuation of the turbine is supplied with fresh air. Also in this design requires de
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine with a system for secondary air injection, the injection of fresh air (secondary air) is reliable and inexpensive, can be placed in confined spaces and quickly enters the work area.
  • the internal combustion engine according to the invention has a system for secondary air injection.
  • the secondary air injection takes place in a cold start phase of the internal combustion engine, if the exhaust gases too many pollutants such. Hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) have.
  • the supply of fresh air into the exhaust gas reduces the emission of pollutants by a post-oxidation of the pollutants.
  • the exhaust gas temperature is increased, which leads to a faster heating of a catalyst arranged in the exhaust system.
  • the cold start phase e.g. 60 sec after the start of the internal combustion engine, the supply of fresh air is stopped in the exhaust gas.
  • the internal combustion engine has an intake air line, in which preferably an air filter is arranged.
  • the intake air line has an intake air line opening through which air from the environment can enter the intake air line. Through the air filter, the internal combustion engine supplied air is cleaned.
  • a throttle is arranged, which regulates the volume flow flowing through the intake air line in accordance with the operating states of the internal combustion engine.
  • the throttle may for example be designed as a flap, but other devices which serve to set a volume flow, can be used.
  • the intake air line connects a combustion unit with the ambient air, whereby a defined volume flow of the combustion unit can be fed.
  • the combustion unit according to this patent application is a device which generates usable energy by burning a fuel.
  • the combustion unit may be formed, for example, as a reciprocating engine.
  • the combusted air-fuel mixture is led away from the combustion unit through an exhaust pipe.
  • the intake air line is connected via a supply and a discharge with a turbomachine.
  • the throttle is arranged in the intake air line.
  • the supply line is connected in the region with the intake air line, which is arranged between the throttle and the intake air duct opening.
  • the drain is connected between the throttle and the combustion unit corresponding to the intake air passage.
  • a turbomachine according to this patent application is an apparatus to understand, which is driven by a pressure difference.
  • Advantageous embodiments here are, for example, turbines in which the turbine wheel is driven by the pressure difference.
  • the turbomachine is connected correspondingly to a compressor, wherein the compressor compresses a gas, in particular air, to a pressure level which is higher than the pressure in the exhaust gas line.
  • a valve is arranged, which can be actuated with a vacuum box. The valve can close and open the drain according to the operating conditions of the internal combustion engine. For this example, rotary or swing flaps or rotary valves can be used. As soon as the switching pressure of the vacuum unit has been reached, the vacuum unit switches and opens the valve abruptly.
  • the valve Upon reaching a defined differential pressure relative to the vacuum unit in the derivative, the valve opens abruptly and thus generates a vacuum pulse which acts on the turbomachine. Due to the vacuum pulse, the turbomachine is put into the operating state in the shortest possible time.
  • the differential pressure with the valve closed in the discharge corresponds to the differential pressure in the intake air line, since the supply line and the discharge of the turbomachine without significant pressure losses with the intake air line before or after the throttle corresponds. Since the intake air passage has a limited volume, a negative pressure is generated in the intake air passage immediately after the start of the combustion unit because the air present in the intake air passage is sucked into the combustion unit.
  • the required differential pressure is generated for example in a reciprocating engine after half a turn of a crankshaft.
  • the opening of the valve in the discharge is thus at an extremely early stage.
  • the secondary air system comprises the following components: turbomachine, compressor, valve, electropneumatic converter, vacuum unit, supply and discharge.
  • turbomachine turbomachine
  • compressor compressor
  • valve electropneumatic converter
  • vacuum unit vacuum unit
  • supply and discharge e.g. a vacuum reservoir
  • the electropneumatic converter has a vent hole. Through the vent hole, the converter is connected to the associated pressure corresponding. Thus, the converter is back and can again control the vacuum unit at a restart of the combustion unit.
  • the electropneumatic converter, the vacuum unit and the valve are integrated into one component, wherein this component comprises a housing which has the necessary connections.
  • the valve closes the discharge at defined operating states of the internal combustion engine, whereby the turbomachine is turned off.
  • the turbomachine can only work if there is a differential pressure in the intake air line. Then the turbomachine is flowed through by the sucked air, whereby the flow resistance for the intake air is increased. Since the secondary air charger is needed only in the cold start phase, an unnecessary operation of the turbomachine and thus an energy loss is prevented.
  • the valve has two positions, wherein the first position, OPEN "and the second position is” CLOSED ".
  • This valve can also be referred to as a digital valve, as it can occupy only two positions. Such valves are inexpensive.
  • the method according to the invention for operating an internal combustion engine with a system for secondary air injection builds up a negative pressure in the intake air line due to the piston movement, which occurs when the internal combustion engine is started by rotating the crankshaft.
  • the negative pressure is generated by the fact that air flows into the combustion unit and is burned.
  • the air taken from the intake air line must flow from the environment into the intake air line through the intake air line opening.
  • With a closed throttle the negative pressure also builds up in the discharge, which connects the turbomachine to the intake air line.
  • the valve is also opened suddenly and the turbomachine is subjected to a pressure pulse.
  • the pressure pulse causes the turbomachine to accelerate very quickly to the required working speed.
  • the compressor connected to the turbomachine can thus compress air at a very early point in time after the start of the combustion unit and inject this fresh air into the exhaust pipe.
  • the pollutants contained in the exhaust gas can be reduced at an early stage.
  • the After oxidation of the pollutants leads to an increase in the exhaust gas temperature and thus heats a catalyst contained in the exhaust system faster to operating temperature.
  • the valve is closed again after a cold start phase.
  • the cold start phase is the operating state of the internal combustion engine in which the components are not yet heated to working temperature.
  • the first 60 seconds after the start of the engine are referred to as a cold start phase.
  • the injection of fresh air into the exhaust gas is no longer necessary because the combustion unit burns the fuel better and thus emits fewer pollutants.
  • the catalyst is heated to operating temperature and can thus reduce the remaining emitted pollutants.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine with a system for secondary air injection
  • FIG. 2 shows a section X according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of an internal combustion engine with a system for secondary air injection in an alternative embodiment
  • FIG. 4 shows a section Y according to FIG. 3
  • Figure 5 is a suction pressure diagram of the turbomachine
  • Figure 6 is a mass flow diagram of the turbomachine
  • Figure 7 is a speed diagram of the turbomachine. Description of the embodiments
  • the internal combustion engine has a combustion unit 10, which is designed as a reciprocating engine with cylinders arranged in series.
  • the cylinders may also be used in all other variants, such as e.g. Star, V, Boxer, U or opposed piston designs, be arranged.
  • the combustion unit is connected to an intake air pipe 11 and an exhaust pipe 12.
  • a throttle 13 and an air filter 14 are arranged in the intake air line 11.
  • the throttle 13 is designed as a throttle valve.
  • a turbomachine 17 is connected to the intake air line 11.
  • the turbomachine 17 is preferably designed as a turbine.
  • turbomachines in particular turbines
  • the supply line 15 is connected between the air filter 14 and the throttle 13 with the intake air line 11.
  • the drain 16 is connected between the throttle 13 and the combustion unit 10 with the intake air line 11.
  • a valve 18, a vacuum box 19 and an electropneumatic converter 20 are arranged, wherein the vacuum box 19 and the valve 18 are arranged in operative connection with each other.
  • the negative pressure 19 is also connected in operative connection with the converter 20.
  • the vacuum unit 19 can switch at the present switching pressure. If the converter 20 no electr. Control current receives more he vented against the environment and closes, causing the vacuum box 19 no more control pressure receives and also closes.
  • the components 18, 19, 20 need not be arranged in series, as shown. However, the corresponding active compounds are required, wherein the arrangement of the components can be arbitrary.
  • the turbomachine 17 is connected to a compressor 21, wherein the turbomachine 17 represents the drive for the compressor 21.
  • the compressor 21 is connected on the one hand via a connecting line 22 to the exhaust pipe 12 and on the other hand via an air line 23 to the air filter 14.
  • a check valve 24 is arranged, which prevents the entry of exhaust gases into the compressor.
  • FIG. 2 shows a section X according to FIG. Parts corresponding to FIG. 1 are identified by the same reference numerals. The components are slightly modified in their arrangement, the effect of the individual components is unchanged.
  • the electro-pneumatic converter 20 has a line 26, with which it is connected to the discharge line 16. Furthermore, the converter 20 has a vent line 27, through which it communicates with the ambient pressure.
  • the vacuum box 19 is connected via the line 28 to the converter 20. In this embodiment, the vacuum box 19 is connected directly to the valve 18, which releases or interrupts the air flow in the discharge line 16.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of an internal combustion engine with a system for secondary air injection in a variant.
  • the Figure 1 corresponding components are provided with the same reference numerals.
  • the air line 23 is not connected directly to the air filter 14.
  • the air for the compressor 21 is sucked in elsewhere, wherein a separate filter (not shown) may be provided, which cleans the air sucked from the compressor 21.
  • a valve unit 29 is arranged, which can regulate the air flow to the turbomachine 17.
  • the air flow can be unthrottled, throttled or completely interrupted.
  • FIG. 4 shows the assembly 30 according to FIG.
  • the structural unit has a housing 31, which encloses the valve 18, the vacuum unit 19 and the electro-pneumatic converter 20. Furthermore, the housing 31 has connections 32 for the discharge line 16. The air flows through the discharge line 16 into the housing. Depending on the operating state, the valve 18 releases the flow cross-section or obstructs it.
  • the vent hole 27 is connected to the ambient air pressure, wherein the sucked air of the discharge line 16 does not escape through the vent hole 27 and no false air can be sucked through the vent hole in the discharge line 16.
  • FIG. 5 shows a suction pressure diagram.
  • the abscissa (X-axis) shows the time in [sec] and the ordinate (Y-axis) the suction pressure in [mbar].
  • Diagram shows the dashed curve (1) the suction pressure behavior in the state of
  • Curve begins to build up a negative pressure at point "B".
  • the negative pressure already builds up at point "A" after approx. 0.8 sec.
  • the system according to the invention is faster by .DELTA.t of about 0.2sec.
  • FIG. 6 shows a mass flow diagram.
  • the abscissa (X-axis) plots the time in [sec] and the ordinate (Y-axis) the mass flow of the turbomachine (turbine) in [kg / h].
  • the dashed curve (1) represents, as in Figure 5, known in the art system for secondary air injection.
  • the continuous curve (2) in turn represents the course of the system according to the invention.
  • the mass flow of the device according to the invention reaches at point "Y" a value which is achieved by the system known in the prior art only at point "Z".
  • the system according to the invention starts earlier at point "X” than the system known in the prior art.
  • FIG. 7 shows a speed diagram.
  • the abscissa (X-axis) shows the time in [sec] and the ordinate (Y-axis) the speed in [1 / min].
  • the dashed curve (1) shows the course of the systems known in the prior art and the continuous curve (2) shows the course of the system according to the invention.
  • This diagram also shows that the system according to the invention starts at point "U" in time before the system known in the prior art and also reaches the maximum speed sooner encryption denser (according to Figure 1 or 3) begin earlier with the compression of the air and introduce the air at an earlier time in the exhaust gas.

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Abstract

Es wir eine Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung vorgeschlagen. Die Brennkraftmaschine verfügt über eine Ansaugluftleitung (11) , eine Verbrennungseinheit (10) , eine Abgasleitung (12) , eine Drossel (13) , eine Strömungsmaschine (17) und einen Verdichter (21) . Die Drossel (13) ist in der Ansaugluftleitung (11) angeordnet. Die Strömungsmaschine (17) ist mit einer Zuleitung (5) zwischen der Drossel (13) und einer Ansaugluftleitungdöffnung und mit einer Ableitung (6) zwischen der Drossel (13) und der Verbrennungseinheit (10) der Drossel (13) mit der Ansaugluftleitung (11) korrespondierend verbunden. Weiterhin ist die Strömungsmaschine (17) in Wirkverbindung mit dem Verdichter (21) verbunden, welcher mit einer Verbindungsleitung (22) mit der Abgasleitung (12) verbunden ist. In der Ableitung (16) ist ein Ventil (18) angeordnet, welches über eine Unterdruckdose (19) betätigbar ist. Ein elektropneumatischer Wandler (20) ist in Wirkverbindung zu der Unterdruckdose (19) angeordnet. Die Unterdruckdose (19) öffnet beim Erreichen eines definierten Differenzdruckes das Ventil (18) schlagartig und erzeugt so einen Unterdruckimpuls, welcher auf die Strömungsmaschine (17) wirkt und diese in kürzester Zeit auf Arbeitsdrehzahl beschleunigt. Somit kann der Verdichter (21) zu einem sehr frühen Zeitpunkt Frischluft in die Abgasleitung (12) einblasen und die ausgestoßenen Schadstoffe reduzieren.

Description

Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung und Ver¬
Beschreibung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung gemäß Patentanspruch 7.
Die DE 42 19 267 A1 offenbart ein System zur Sekundärlufteinblasung in eine Brennkraftmaschine. Das System zur Sekundärlufteinblasung ist in einer Ansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordnet. Durch das Einblasen von Frischluft in das Abgas können die ausgestoßenen Schadstoffe reduziert werden. In der Ansaugleitung ist eine Drossel zur Einstellung des strömenden Volumenstroms zur Brennkraftmaschine vorhan- den. Durch die Drossel wird ein Differenzdruck erzeugt, welcher zum Antrieb einer Strömungsmaschine genutzt wird. Die Strömungsmaschine ist als Motor für einen Verdichter vorgesehen, welcher Frischluft (Sekundärluft) in die Abgasleitung einbläst.
Das Einblasen der Sekundärluft in das Abgas ist nach dem Start der Brennkraftmaschine wichtig um die gesetzlich vorgeschriebenen Abgaswerte nicht zu überschreiten. Nach dem Start der Brennkraftmaschine sind einige Kurbelwellenumdrehungen erforderlich, bis ein ausreichender Differenzdruck erzeugt ist, um die Strömungsmaschine anzutreiben. Die Drehzahl der Strömungsmaschine steigert sich nach und nach, bis die maximale Arbeitsdrehzahl erreicht ist. In dieser Zeitspanne wird zu wenig Frischluft in das Abgas eingeblasen, wodurch die Abgaswerte die gesetzlichen Vorschriften nicht erfüllen.
Weiterhin offenbart die DE 100 64 481 eine Brennkraftmaschsne mit Sekundäriuftaufla-
)ine entspannte Luft ein ι emperaturaDfaif zu verzeichnen. uι« turwerte werden erfasst und ausgewertet, wodurch ein Rückschfuss auf die Start der Brennkraftmaschine baut sich langsam ein Unterdrück auf, welcher zu einem
" ■ » der Sekundärluftlader seinen t, vergeht eine längere Zeitspan-
Aus der DE 102 35 341 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, welcher über einen Sekun-
verfügt. Die Funktion des Sekundäriuftladers ist mit einer Testprozedur überprüfbar. Hierzu ist ein Regelventil vorgesehen, welches im Bypass zu einer Frischluftleltung angeordnet ist und nach dessen Betätigung die Turbine mit Frischluft beaufschiagt wird. Auch bei dieser Ausführung benötigt de
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung zu schaffen, wobei die Einblasung von Frischluft (Sekundärluft) zuverlässig und kostengünstig erfolgt, in beengte Bauräume eingebracht werden kann und schnell in den Arbeitsbereich gelangt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 bzw. 6 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über ein System zur Sekundärlufteinblasung. Die Sekundärlufteinblasung erfolgt in einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine, wenn die Abgase zu viele Schadstoffe wie z.B. Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxide (CO) aufweisen. Die Zufuhr von Frischluft in das Abgas reduziert den Ausstoß an Schadstoffen durch eine Nachoxidation der Schadstoffe. Durch die Nachoxi- dation wird die Abgastemperatur erhöht, was zu einer schnelleren Erwärmung eines im Abgasstrang angeordneten Katalysators führt. Nach der Kaltstartphase z.B. 60 sec nach dem Start der Brennkraftmaschine wird die Zufuhr von Frischluft in das Abgas gestoppt.
Die Brennkraftmaschine verfügt über eine Ansaugluftleitung, in welcher vorzugsweise ein Luftfilter angeordnet ist. Die Ansaugluftleitung verfügt über eine Ansaugluftleitungsöff- nung, durch welche Luft aus der Umgebung in die Ansaugluftleitung eintreten kann. Durch den Luftfilter wird die der Brennkraftmaschine zugeführte Luft gereinigt. In der Ansaugluftleitung ist eine Drossel angeordnet, welche den durch die Ansaugluftleitung strö- menden Volumenstrom entsprechend den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine regelt. Die Drossel kann z.B. als Klappe ausgeführt sein, wobei jedoch auch andere Vorrichtungen, welche zur Einstellung eines Volumenstromes dienen, verwendet werden können. Die Ansaugluftleitung verbindet eine Verbrennungseinheit mit der Umgebungsluft, wodurch ein definierter Volumenstrom der Verbrennungseinheit zuführbar ist. Die Verbrennungseinheit gemäß dieser Patentanmeldung ist eine Vorrichtung, welche durch Verbrennen eines Kraftstoffes nutzbare Energie erzeugt. Hierbei kann die Verbrennungseinheit z.B. als Hubkolbenmotor ausgebildet sein. Das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch eine Abgasleitung von der Verbrennungseinheit weg geführt. Die Ansaugluftleitung ist über eine Zu- und eine Ableitung mit einer Strömungsmaschine verbunden. Zwischen der Zu- und der Ableitung ist die Drossel in der Ansaugluftleitung angeordnet. Die Zuleitung ist in dem Bereich mit der Ansaugluftleitung verbunden, welcher zwischen der Drossel und der Ansaugluftleitungsöffnung angeordnet ist. Die Ableitung ist zwischen der Drossel und der Verbrennungseinheit korrespondierend mit der Ansaugluftleitung verbunden. Unter einer Strömungsmaschine gemäß dieser Patentanmeldung ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche durch eine Druckdifferenz antreibbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind hierbei z.B. Turbinen, bei welchen das Turbinenrad durch die Druckdifferenz angetrieben wird. Die Strömungsmaschine ist mit einem Verdichter korrespondierend verbunden, wobei der Verdichter ein Gas, insbesondere Luft, auf ein Druckniveau komprimiert, welches höher liegt als der Druck in der Abgasleitung. Der Verdichter ist mit einer Verbindungsleitung mit der Abgasleitung korrespondierend verbunden, wodurch die durch den Verdichter komprimierte Luft in die Abgasleitung einbringbar ist. In der Ableitung ist ein Ventil angeordnet, welches mit einer Unterdruckdose betätigbar ist. Das Ventil kann entsprechend der Betriebszustände der Brennkraft- maschine die Ableitung verschließen und öffnen. Hierzu können z.B. Dreh- bzw. Schwenkklappen oder Drehschieber verwendet werden. Sobald der Schaltdruck der Unterdruckdose erreicht ist, schaltet die Unterdruckdose und öffnet das Ventil schlagartig. Beim Erreichen eines definierten Differenzdruckes bezogen auf die Unterdruckdose in der Ableitung öffnet das Ventil schlagartig und erzeugt so einen Unterdruckimpuls, der auf die Strömungsmaschine wirkt. Durch den Unterdruckimpuls wird die Strömungsmaschine in kürzester Zeit in den Betriebszustand versetzt. Der Differenzdruck bei geschlossenem Ventil in der Ableitung entspricht dem Differenzdruck in der Ansaugluftleitung, da die Zuleitung und die Ableitung der Strömungsmaschine ohne nennenswerte Druckverluste mit der Ansaugluftleitung vor bzw. nach der Drossel korrespondiert. Da die Ansaugluftleitung ein begrenztes Volumen besitzt, wird in der Ansaugluftleitung unmittelbar nach dem Start der Verbrennungseinheit ein Unterdruck erzeugt, da die in der Ansaugluftleitung vorhandene Luft in die Verbrennungseinheit eingesaugt wird. Somit ist der erforderliche Differenzdruck z.B. bei einer Hubkolbenmotor bereits nach einer halben Drehung einer Kurbelwelle erzeugt. Das öffnen des Ventils in der Ableitung erfolgt somit zu einem extrem frühen Zeitpunkt.
angeordnet ist. Entsprechend so en, so kann.
Her SK
das Ventil, wodurch die Ableitung verschlossen wird. Das Sekundärluftsystem umfasst die folgenden Bauteile: Strömungsmaschine, Verdichter, Ventil, elektropneumatischer Wandler, Unterdruckdose, Zu- und Ableitung. Bei bekannten Sekundärlufteinblasungs- systemen sind frühe Schaltzeitpunkte nur durch teure elektronische oder großvolumige Bauteile, wie z.B. einen Unterdruckspeicher, zu erreichen. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt jedoch bei der Sekundärlufteinblasung über kleine und preiswerte Bauteile.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung verfügt der elektropneumatische Wandler über eine Entlüftungsbohrung. Durch die Entlüftungsbohrung ist der Wandler mit dem Umge- bungsdruck korrespondierend verbunden. Somit stellt sich der Wandler zurück und kann bei einem erneuten Start der Verbrennungseinheit erneut die Unterdruckdose ansteuern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der elektropneumatische Wandler, die Unterdruckdose und das Ventil in ein Bauteil integriert, wobei dieses Bauteil ein Gehäuse umfasst, welches über die erforderlichen Anschlüsse verfügt. Durch diese Ausgestaltung ist lediglich ein Bauteil in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine einzubauen, wodurch die Montage vereinfacht wird.
Es ist vorteilhaft, dass das Ventil die Ableitung bei definierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine verschließt, wodurch die Strömungsmaschine ausgeschaltet ist. Die Strömungsmaschine kann nur arbeiten, wenn ein Differenzdruck in der Ansaugluftleitung vorhanden ist. Dann wird die Strömungsmaschine von der angesaugten Luft durchströmt, wodurch der Strömungswiderstand für die angesaugte Luft erhöht wird. Da der Sekundärluftlader lediglich in der Kaltstartphase benötigt wird, wird ein unnötiges Betreiben der Strömungsmaschine und somit ein Energieverlust verhindert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verfügt das Ventil über zwei Stellungen, wobei die erste Stellung ,AUF" und die zweite Stellung „ZU" ist. Dieses Ventil kann auch als Digitalventil bezeichnet werden, da es nur zwei Stellungen einnehmen kann. Derartige Ventile sind preiswert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung baut durch die Kolbenbewegung, welche beim Start der Brennkraftmaschine durch Drehen der Kurbelwelle entsteht, in der Ansaugluftleitung einen Unterdruck auf. Der Unterdruck wird dadurch erzeugt, dass Luft in die Verbrennungseinheit einströmt und verbrannt wird. Die aus der Ansaugluftleitung entnommene Luft muss durch die Ansaugluftleitungsöffnung aus der Umgebung in die Ansaugluftlei- tung nachströmen. Bei einer geschlossenen Drossel baut sich der Unterdruck ebenfalls in der Ableitung, welche die Strömungsmaschine mit der Ansaugluftleitung verbindet, auf. Durch das schlagartige Schalten der Unterdruckdose wird das Ventil ebenfalls schlagartig geöffnet und die Strömungsmaschine wird mit einem Druckimpuls beaufschlagt. Der Druckimpuls bewirkt, dass die Strömungsmaschine sehr schnell auf die erforderliche Ar- beitsdrehzahl bescheunigt wird. Der, mit der Strömungsmaschine verbundene, Verdichter kann so zu einem sehr frühen Zeitpunkt nach der dem Start der Verbrennungseinheit Luft komprimieren und diese Frischluft in die Abgasleitung einblasen. Somit können die im Abgas enthaltenen Schadstoffe zu einem frühen Zeitpunkt reduziert werden. Wobei die Nachoxidation der Schadstoffe zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führt und somit einen im Abgasstrang enthaltenen Katalysator schneller auf Betriebstemperatur erwärmt.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ventil nach einer Kaltstartphase wieder geschlossen. Die Kaltstartphase ist der Betriebszustand der Brennkraftmaschine in welchem die Bauteile noch nicht auf Arbeitstemperatur erwärmt sind. Insbesondere sind die ersten 60Sekunden nach dem Start der Brennkraftmaschine als Kaltstartphase zu bezeichnen. Nach der Kaltstartphase ist das Einblasen von Frischluft in das Abgas nicht mehr erforderlich, da die Verbrennungseinheit den Kraftstoff besser verbrennt und somit weniger Schadstoffe ausstößt. Weiterhin ist dann der Katalysator auf Betriebstemperatur erwärmt und kann so die restlichen ausgestoßenen Schadstoffe reduzieren.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombi- nationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigt
Figur 1 eine Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung,
Figur 2 einen Ausschnitt X gemäß Figur 1
Figur 3 eine Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundär- lufteinblasung in einer alternativen Ausgestaltung,
Figur 4 eine Ausschnitt Y gemäß Figur 3
Figur 5 ein Saugdruck-Diagramm der Strömungsmaschine
Figur 6 ein Massenstrom-Diagramm der Strömungsmaschine und
Figur 7 ein Drehzahl-Diagramm der Strömungsmaschine. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung dargestellt. Die Brennkraftmaschine weist eine Verbrennungseinheit 10 auf, welche als Hubkolbenmotor mit in Reihe angeordneten Zylindern ausgestaltet ist. Selbstverständlich können die Zylinder auch in sämtlichen anderen Varianten, wie z.B. Stern-, V-, Boxer-, U- oder Gegenkolben-Ausführungen, angeordnet sein. Die Verbrennungseinheit ist mit einer Ansaugluftleitung 11 und einer Abgasleitung 12 verbunden. In der Ansaugluftleitung 11 sind eine Drossel 13 und ein Luftfilter 14 angeordnet. Die Drossel 13 ist als Drosselklappe ausgestaltet. Über eine Zuleitung 15 und eine Ableitung 16 ist eine Strömungsmaschine 17 mit der Ansaugluftleitung 11 verbunden. Die Strömungsmaschine 17 ist vorzugsweise als Turbine ausgestaltet. Beispiele für Strömungsmaschinen, insbesondere Turbinen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die Zuleitung 15 ist zwischen dem Luftfilter 14 und der Drossel 13 mit der Ansaugluftleitung 11 verbunden. Die Ableitung 16 ist zwischen der Drossel 13 und der Verbrennungseinheit 10 mit der Ansaugluftleitung 11 verbunden. In der Ableitung 16 sind ein Ventil 18, eine Unterdruckdose 19 und ein elektropneumatischer Wandler 20 angeordnet, wobei die Unterdruckdose 19 und das Ventil 18 in Wirkverbindung zueinander angeordnet sind. Die Unterdrucksode 19 ist ebenfalls in Wirkverbindung mit dem Wandler 20 verbunden. Durch die Betätigung des Wandlers 20 kann die Unterdruckdose 19 bei vorliegendem Schaltdruck schalten. Wenn der Wandler 20 keinen elektr. Steuerstrom mehr erhält entlüftet er sich gegen die Umgebung und schließt, wodurch die Unterdruckdose 19 keinen Steuerdruck mehr erhält und ebenfalls schließt. Die Bauteile 18, 19, 20 müssen nicht, wie dargestellt in Reihe angeordnet sein. Die entsprechenden Wirkverbindungen sind jedoch erforderlich, wobei die Anordnung der Bauteile beliebig sein kann. Die Strömungsmaschine 17 ist mit einem Verdichter 21 verbunden, wobei die Strömungsmaschine 17 den Antrieb für den Verdichter 21 darstellt. Der Verdichter 21 ist einerseits über eine Verbindungsleitung 22 mit der Abgasleitung 12 und andererseits über eine Luftleitung 23 mit dem Luftfilter 14 verbunden. In der Verbindungsleitung ist ein Rückschlagventil 24 angeordnet, welches den Eintritt von Abgasen in den Verdichter verhindert.
Beim Anlassen der Verbrennungseinheit 10 wird Luft aus der Ansaugluftleitung 11 in die Brennkammern der Verbrennungseinheit 10 gesaugt. Dadurch entsteht in dem Bereich bis zu der Drossel 13 der Ansaugluftleitung 11 ein Unterdruck. Dieser Unterdruck setzt sich auch in der Ableitung 16 fort. Nachdem ein definierter Unterdruck erzeugt ist, schaltet die Unterdruckdose 19 das Ventil 18, wodurch ein Unterdruckimpuls auf die Strö- mungsmaschine 17 wirkt. Bei geschlossener Drossel 13 wird Luft aus dem Filter 14 durch die Zuleitung 15 zu der Strömungsmaschine 17 gesaugt. Die Luft strömt dann durch die Ableitung 16 wieder hinter der Drossel 13 in die Ansaugluftleitung 11 und zu der Verbrennungseinheit 10. Durch diese Luftströmung wird die Strömungsmaschine 17 betrieben. Da die Strömungsmaschine 17 und der Verdichter 21 verbunden sind, wird somit auch der Verdichter 21 betrieben. Dieser saugt Luft aus dem Luftfilter 14 an und komprimiert die Luft auf ein Druckniveau, welches über dem Abgasdruck liegt. Die komprimierte Luft wird dann über die Verbindungsleitung 22 in die Abgasleitung 12 gedrückt, wo die Schadstoffe nachoxidiert werden. Nach einer definierten Zeitspanne, insbesondere 60 Sekunden nach dem Start der Verbrennungseinheit, wird das Ventil 18, durch die elektri- sehe Betätigung des elektropneumatischen Wandlers, welcher sich entlüftet, wieder geschlossen, wodurch der Strömungsmaschine 17 keine Energie mehr zugeführt wird und diese somit den Verdichter 21 nicht mehr betreiben kann. Das Einblasen von Sekundärluft in das Abgas wird dann beendet.
In Figur 2 ist ein Ausschnitt X gemäß Figur 1 dargestellt. Der Figur 1 entsprechende Bau- teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Bauteile sind in ihrer Anordnung etwas modifiziert, wobei die Wirkung der einzelnen Bauteile unverändert ist. Der elektro- pneumatische Wandler 20 verfügt über eine Leitung 26, mit welcher er mit der Ableitung 16 verbunden ist. Weiterhin weist der Wandler 20 eine Entlüftungsleitung 27 auf, durch welche er mit dem Umgebungsdruck kommuniziert. Die Unterdruckdose 19 ist über die Leitung 28 mit dem Wandler 20 verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Unterdruckdose 19 direkt mit dem Ventil 18 verbunden, welches die Luftströmung in der Ableitung 16 freigibt oder unterbricht.
In Figur 3 ist eine Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung in einer Variante dargestellt. Der Figur 1 entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu Figur 1 ist die Luftleitung 23 nicht direkt mit dem Luftfilter 14 verbunden. Die Luft für den Verdichter 21 wird an anderer Stelle angesaugt, wobei ein gesonderter Filter (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann, der die von dem Verdichter 21 angesaugte Luft reinigt. In der Zuleitung 15 ist eine Ventileinheit 29 angeordnet, welche die Luftströmung zu der Strömungsmaschine 17 re- geln kann. Somit ist eine gezielte Einstellung der Drehzahl der Strömungsmaschine möglich. Hierbei kann die Luftströmung ungedrosselt, gedrosselt oder vollständig unterbrochen werden. Ein weiterer Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Brennkraftmaschine besteht darin, dass das Ventil 18, die Unterdruckdose 19 und der elektropneumati- sche Wandler 20 in eine Baueinheit 30 integriert sind. In Figur 4 ist die Baueinheit 30 gemäß Figur 3 dargestellt. Die Baueinheit weist ein Gehäuse 31 auf, welches das Ventil 18, die Unterdruckdose 19 und den elektropneumati- schen Wandler 20 umschließt. Weiterhin verfügt das Gehäuse 31 über Anschlüsse 32 für die Ableitung 16. Die Luft strömt durch die Ableitung 16 in das Gehäuse ein. Je nach Be- triebszustand gibt das Ventil 18 den Strömungsquerschnitt frei oder versperrt ihn. Die Entlüftungsbohrung 27 ist mit dem Umgebungsluftdruck verbunden, wobei die angesaugte Luft der Ableitung 16 nicht durch die Entlüftungsbohrung 27 entweichen bzw. keine Falschluft durch die Entlüftungsbohrung in die Ableitung 16 gesaugt werden kann.
In Figur 5 ist ein Saugdruck-Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse (X-Achse) ist die Zeit in [sec] und auf der Ordinate (Y-Achse) der Saugdruck in [mbar] abgetragen. In dem
Diagramm zeigt die gestrichelte Kurve (1) das Saugdruckverhalten einer im Stand der
Technik bekannten Sekundärlufteinblasung und die durchgängige Kurve (2) zeigt das
Saugdruckverhalten der erfindungsgemäßen Sekundärlufteinblasung. Die gestrichelte
Kurve beginnt bei Punkt „B" einen Unterdruck aufzubauen Bei dem erfindungsgemäßen System baut sich der Unterdruck bereits bei Punkt ,A" nach ca. 0,8sec auf. Somit ist das erfindungsgemäße System um Δt von ca. 0,2sec schneller.
In Figur 6 ist ein Massenstrom-Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse (X-Achse) ist wie in Figur 5 die Zeit in [sec] und auf der Ordinate (Y-Achse) der Massenstrom der Strömungsmaschine (Turbine) in [kg/h] abgetragen. Die gestrichelte Kurve (1) stellt, wie in Figur 5, das im Stand der Technik bekannt System zur Sekundärlufteinblasung dar. Die durchgängige Kurve (2) stellt wiederum den Verlauf des erfindungsgemäßen Systems dar. Der Massenstrom der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht bei Punkt „Y" einen Wert, der von dem im Stand der Technik bekannten System erst bei Punkt „Z" erreicht wird. Wie bereits in Figur 5 beschrieben startet das erfindungsgemäße System bei Punkt „X" früher als das im Stand der Technik bekannte System. Bei der Endleistung beider Systeme sind keine Unterschiede mehr vorhanden.
In Figur 7 ist ein Drehzahl-Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse (X-Achse) ist wie in den Figuren 5 und 6 die Zeit in [sec] und auf der Ordinate (Y-Achse) die Drehzahl in [1/min] abgetragen. Wie bei den Figuren 5 und 6 ausgeführt, zeigt die gestrichelte Kurve (1) den Verlauf der im Stand der Technik bekannten Systeme und die durchgängige Kurve (2) den Verlauf des erfindungsgemäßen Systems. Auch bei diesem Diagramm ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße System bei Punkt „U" zeitlich vor dem im Stand der Technik bekannten System startet und auch früher die maximale Drehzahl erreicht. In Abhängigkeit der Drehzahl der Strömungsmaschine (gem. Figur 1 oder 3) kann der Ver- dichter (gem. Figur 1 oder 3) früher mit der Verdichtung der Luft beginnen und die Luft zu einem früheren Zeitpunkt in das Abgas einbringen.

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine mit einem System zur Sekundärlufteinblasung, aufweisend eine Ansaugluftleitung (11), eine Verbrennungseinheit (10), eine Abgasleitung(12), eine Drossel (13), eine Strömungsmaschine (17) und einen Verdichter (21),
- wobei die Drossel (13) in der Ansaugluftleitung (11) angeordnet ist,
- wobei die Strömungsmaschine (17) mit einer Zuleitung (16) vor und mit einer Ableitung (15) nach der Drossel (13) mit der Ansaugluftleitung (11) korrespondierend verbunden ist,
- wobei die Strömungsmaschine (17) in Wirkverbindung mit dem Verdichter (21) verbunden ist,
- wobei der Verdichter (21) mit einer Verbindungsleitung (22) mit der Abgasleitung (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ableitung (16) ein Ventil (18) angeordnet ist, welches über eine Unterdruckdose (19) betätigbar ist, wobei ein elektropneumatischer Wandler (20) in Wirkverbindung zu der Unterdruckdose (19) angeordnet ist, und wobei die Unterdruckdose (19) beim Erreichen eines definierten Differenzdruckes das Ventil (18) schlagartig öffnet und so ein Unterdruckimpuls erzeugt wird, der auf die Strömungsmaschine (17) wirkt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektro- pneumatische Wandler (20) über eine Entlüftungsbohrung verfügt.
3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektropneumatische Wandler (20), die Unterdruckdose (19) und das Ventil (18) in ein Bauteil integriert sind.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (18) die Ableitung (16) bei definierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine verschließt, wodurch die Strömungsmaschine (17) ausgeschaltet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (18) über zwei Stellungen verfügt, wobei die erste Stellung ,AUF" und die zweite Stellung „ZU" ist.
6. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start der Brennkraftmaschine in der Ansaugluftleitung (11) ein Unterdruck aufgebaut wird, welcher sich bei ge- schlossener Drossel (13) ebenfalls in der Ableitung (16) aufbaut, wobei der Unterdruck zum schlagartigen öffnen des Ventils (18) führt und die Strömungsmaschine (17) mit einem Druckimpuls beaufschlagt wird, wodurch der Verdichter (21) Frischluft in die Abgasleitung (12) einbläst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (18) nach einer Kaltstartphase wieder geschlossen wird.
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